수소 잡아두는 `초미세 집(cage)` 나왔다

↑ 수소 저장물질을 개발한 UNIST 연구진. 왼쪽부터 자비드 마흐무드 교수 백종범 교수 김석진 연구원 [사진제공 = UNIST]

국내 연구진이 수소를 저장할 수 있는 기술을 개발했다.
백종범 울산과학기술원(UNIST) 에너지및화학공학부 교수 연구진은 초미세 유기구조체를 개발, 수소를 효과적으로 저장하는 방법을 개발했다고 13일 밝혔다.
연구진이 개발한 물질은 가볍고 튼튼하면서 수분 등에도 안정적인 유기 고분자를 개발했다. 유기 고분자는 유기 화합물에 속하는 고분자 화합물로 각종 합성수지(플라스틱)나 합성섬유와 같다. 원래 유기물은 생물을 구성하는 화합물을, 무기물은 돌이나 흙을 구성하는 광물에서 얻을 수 있는 물질을 의미했지만 1828년 독일의 화학자 뵐러가 암모니아와 이산화탄소에서 유기 물질은 요소를 합성하면서 기존 기준이 모호해졌다. 현재 유기물은 탄소 골격을 가지고 생명체와 밀접한 관계가 있는 물질로 규정한다.
연구진은 방파제로 쓰이는 '테트라포트' 모양의 분자와 육각형 고리 모양의 분자를 반응시켜 초미세 유기구조체를 만들었다. 두 분자가 반응을 시작하면 새장처럼 구멍이 숭숭 뚫린 유기구조체가 형성된다. 백 교수는 "수소는 너무 가벼워 어떤 소재로 탱크를 만들어도 빠져나간다"며 "이를 막으려면 발목에 모래주머니를 채우듯, 다른 물질을 써서 수소를 붙잡아야 한다"고 말했다. 연구진은 안정성 측면에서 유기물질이 유리하며 이번에 개발한 물질의 경우 수소 흡착 능력도 최고 수준을 보였다고 강조했다. 연구진에 따르면 이 물질은 아주 미세한 기공을 잔뜩 가져 수소나 메탄, 이산화탄소 등의 기체를 흡착하는 성능이 탁월하다. 기존 3차원 유기구조체와 달리 분자들이 육각형 사다리 모양으로 결합돼 있어 구조적으로도 안정하다. 또 수분에 반응하지 않는데다 600도의 고온에서도 견디기 때문에 상용화 가능성도 높다.

↑ 연구진이 개발한 물질의 원자 크기 모습. 3차원 공간 속에 수소를 꽉 잡아둘 수 있다. [사진제공 = UNIST]

연구진이 개발한 물질은 일반 기압(1bar)에서 영하 196도(77K) 온도 조건을 줬을 때, 수소 저장 성능은 2.6wt%였다. 이 물질 1g에 수소 0.026g을 저장할 수 있다는 의미다. 압력을 더 높이자(59bar), 미국 에너지부(DOE)에서 2020년 목표로 지정한 수소 저장 성능인 5.5wt%를 넘어섰다. 기체 흡착 실험을 진행한 김석진 UNIST 에너지공학과 박사과정 연구원은 "지금까지 보고된 유기 다공성 물질 중에서는 가장 높은 성능 수치"라며 "고압 흡착 실험은 한국기초과학지원연구원에서도 똑같이 진행해 성능인증서를 획득했다"고 말했다. 이 물질은 메탄과 이산화탄소의 저장 성능도 뛰어났다. 일반 기압(1bar) 아래 0도(273K) 온도에서 1g 당 메탄 0.024g, 이산화탄소는 0.267g을 각각 저장할 수 있다.
백 교수는 "기체 저장 물질은 수소자동차와 가스 센서 등에 광범위하게 활용할 수 있다"며 "이번 연구는 미래 에너지 소재로 유기구조체를 응용할 전략을 제시했다는 데 큰 의미가 있으며, 우리 기술로 세계 기술시장을 선점할 것"이라고 덧붙였다. 연구결과는 화학분야 권위지인 '앙게반테 케미' 지난달 27일자에 게재됐다.
[원호섭 기자]